Las esponjas marinas como fuente de nuevas sustancias bioactivas. Marine sponges as a source of new bioactive substances.

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1 Las esponjas marinas como fuente de nuevas sustancias bioactivas. Marine sponges as a source of new bioactive substances. Erik L. Regalado, Abilio Laguna, José R. Martínez. Centro de Bioproductos Marinos, AMA, CITMA. Loma y 37. Alturas del Vedado. La Habana, Cuba. CP: 10400, RESUMEN Las esponjas marinas (Porifera) han atraído la atención de un gran número de científicos alrededor del mundo. Estos animales y sus simbiontes utilizan mecanismos de defensa química, basados en la producción de compuestos biologicamente activos que utlizan para protegerse de posibles depredadores. Son considerados una mina de oro para los químicos y se han descubierto más de 6000 estructuras novedosas, muchas de ellas con enormes aplicaciones biomédicas, fundamentalmente contra el cáncer, pero también contra diversas bacterias, virus y otras enfermedades. Algunos de los fármacos derivados de esponjas se encuentran disponibles en el mercado, tal es el caso Ara-A (antiviral) y de la Ara-C (antitumoral), pero existen diversos compuestos bioactivos en ensayos clínicos. En Cuba, las investigaciones relacionadas con compuestos obtenidos de esponjas marinas son muy escasas, los descubrimientos iniciales se desarrollaron en el campo farmacológico y solamente en extractos o fracciones. En estudios recientes, se investigaron tres esponjas (Agelas cerebrum, Niphates digitalis y Pandaros acanthifolium), a partir de las cuales se aislaron e identificaron 45 metabolitos, dos de ellos fueron nuevos productos naturales y 30 resultaron metabolitos novedosos, pertenecientes a dos nuevas familias de saponinas esteroidales con características químicas poco comunes y efecto sobre varios parásitos protozoarios, así como contra varias líneas celulares de carcinoma humano. Palabras Claves: ESPONJAS MARINAS, COMPUESTOS NOVEDOSOS, METABOLITOS BIOACTIVOS, ANTIPARASITARIO, ANTITUMORAL. Abstract. Marine sponges (Porifera) have drawn the attention from a broad number of researchers all over the world. These animals and their simbionts are specialized in chemical warfare, producing biologically active chemical substances as an effective defense against predators. They have been considered a goldmine to chemists, from which have been discovered more than 6000 novel structures; many of them, with enormous biomedical applications, mainly against cancer, but also against bacteria, viruses and other diseases. Some of the spongederived drugs are available in the market, such as: Ara-A (antiviral) and Ara-C (anticancer), but there are diverse bioactive compounds under clinical trials. In Cuba, the researches related to the isolation of compounds from marine sponges are scarce and the initial studies were about pharmacological evaluations of extracts and fractions. In recent studies, three sponges were investigated (Agelas cerebrum, Niphates digitalis and Pandaros acanthifolium), from which were isolated and identified 45 metabolites, two of them were isolated for the first time as natural products, including the discovery of 30 novel metabolites, dividing in two new families of steroidal saponins with uncommon chemical characteristics and potential against several parasitic protozoa and tumor human cell lines. Key Words: MARINE SPONGES, NOVEL COMPOUNDS, BIOACTIVE METABOLITES, ANTIPARASITIC, ANTITUMORAL.

2 Generalidades sobre las esponjas. Las esponjas (Phyllum Polifera), son un grupo de animales multicelulares sésiles de los más abundantes y diversos en los fondos marinos, cuya característica principal es poseer un sistema interno de canales, a través de los cuales bombean activamente agua de la que filtran su alimento y extraen el oxígeno, y en la que depositan sus excretas; presentan un esqueleto interno de agujas de dióxido de silicio o carbonato de calcio denominadas espículas, cementadas por fibras de colágeno llamadas espongina (Bergquist, 1978). En los mares actuales las esponjas dominan en la mayoría de los hábitats crípticos y poco iluminados como cuevas, túneles, y bajo rocas y corales, en donde no son desplazadas por organismos fotosintéticos de crecimiento relativamente rápido; en los arrecifes coralinos dominan en general debajo de los 20 m, mientras que en los canales profundos de las formaciones de manglar, son el componente dominante de la fauna de las raíces adventicias (Rützler and Feller, 1987). Las esponjas juegan un papel importante en los ecosistemas marinos, gracias a que por filtración incorporan gran cantidad de material particulado de la columna de agua al fondo, contribuyen a la producción primaria (Wilkinson, 1983), pues muchas especies albergan simbiontes fotosintéticos (fundamentalmente cianobacterias) y por tener numerosas bacterias heterotróficas en sus tejidos devuelven al medio nutrientes remineralizados (Corredor et al., 1988), además constituyen el hábitat de muchos invertebrados y algunos peces. En los sistemas de litorales de fondos duros pueden competir de manera agresiva por el espacio, en muchas ocasiones mediante medios químicos. Las esponjas son de los animales que sufren menor depredación, y en general solo son susceptibles a los organismos especializados en resistir sus defensas físicas o principalmente el diverso arsenal químico que éstas poseen, lo cual ha atraído el interés de innumerables científicos en las últimas décadas. Las esponjas han sido consideradas como una mina de oro para los químicos (Thakur and Müller, 2004) y se han descubierto hasta el momento, a partir de estas, más de 6000 metabolitos novedosos (Munro and Blunt, 2009), muchos de ellos con enormes potencialidades biotecnológicas (Thakur and Müller, 2004; Wijffels, 2007) y un alto potencial en para la búsqueda de medicamentos (Mayer et al., 2009; Jain and Tiwari, 2007), particularmente contra el cáncer (Mayer et al., 2009; 2007; Mayer and M.T., 2002). Moléculas con potencial terapéutico aisladas de esponjas. Entre los invertebrados marinos, el phylum Porifera es el más prolífico en metabolitos secundarios novedosos y farmacológicamente activos (Blunt, et al., 2008; 2007; 2005). Los primeros estudios de esponjas como fuente de agentes terapéuticos se realizaron en los años 1950's cuando Bergmann y colaboradores aislaron tres nucléosidos novedosos: espongosina, espongotimidina y espongouridina a partir de la esponja del Caribe Cryptotethia crypta (Porifera) (Bergmann and Burke, 1955; Bergmann and Feeney, 1951; 1950). Los dos nucleósidos pirimidínicos contenían una arabinosa en lugar de la ribosa y la espongosina combinaba la ribosa con una nueva base (metoxiadenina). Dos de estas moléculas (espongosina y espongouridina) permitieron llegar mediante modificaciones sintéticas a los dos primeros fármacos de origen marino: Ara-C (citarabina) como antitumoral (Sweetman, 2000) y Ara-A (vidarabina o comúnmente conocido por aciclovir) como antiviral (Scheuer, 1996), los cuales se encuentran bien establecidos en el mercado (Rayl, 1999).

3 Fig. 1. Esponja Cryptotethya crypta y estructuras de la Ara A y Ara C Fig. 1. Sponge Cryptotethya crypta and structures of Ara A and Ara C En estos momentos la vidarabina y la citarabina (figura 1) son los únicos compuestos relacionados con esponjas que se utilizan como medicamentos. No obstante, otro grupo de metabolitos secundarios bioactivos o sus análogos, aislados de otras esponjas, se encuentran actualmente en diferentes fases de ensayos clínicos. Tal es el caso de las agelasfinas aisladas de la esponja Agelas mauritianus (Natori et al., 1994; 1993), cuyas estructuras pertenecen a la familia de las glicosilceramidas. Estas sustancias fueron fuertemente activas sobre algunos carcinomas de roedores: melanoma B16 y colon, sin que se haya detectado alguna citotoxicidad in vitro (Kobayashi et al., 1995). También un análogo sintético de la serie de las agelasfinas, el KRN7000 (figura 2), ha sido desarrollado por la sociedad japonesa Kirin Brewery, con el fin de limitar la aparición de metástasis hepática (Iijima et al., 1998) y se encuentra actualmente en ensayos clínicos contra otros tipos de tumores. El HTI286 es otro de los compuestos que actualmente se encuentra en ensayos clínicos y es un análogo sintético de la hémiasterlina (Loganzo et al., 2003) (figura 2), ambos han sido aislados de varias esponjas: Cymbastela sp, Hemiasterella minor, Siphonochalina sp y Auletta sp (Coleman et al., 1995; Gamble et al., 1999; Talpir et al., 1994). Las hémiasterlinas son una familia de tripéptidos que contienen tres aminoácidos altamente modificados. La hémiasterlina es un potente inhibidor del crecimiento celular, que obstaculiza la etapa G2-M del ciclo celular (Anderson et al., 1997). Fig. 2. Esponja Agelas mauritianus y estructuras de diferentes compuestos bioactivos Fig. 2. Sponge Agelas mauritianus and structures of several bioactive compounds La cetona macrocíclica E7389 es una análoga sintética simplificada de la halichondrina B (figura 3), aislada la esponja marina japonesa Halichondria okadai (Hirata and Uemura, 1986; Uemura et al., 1985). Este candidato a medicamento se encuentra actualmente en ensayos clínicos como potente agente anticancerígeno sobre la tubulina (Kuznetsov et al., 2004). El LAF389 es un análogo de la bengamida B (figura 3), aislada a partir de la esponja Jaspis

4 digonoxea (Rudi et al., 1994). Esta molécula induce una parada del ciclo celular por inhibición de la metionina aminopeptidasa (Towbin et al., 2003). Fig. 3. Estructuras de compuestos bioactivos aislados de esponjas y análogos sintéticos Fig. 3. Structures of bioactive compounds isolated from sponges and synthetic analogous El primer esterol de origen marino con propiedades antiinflamatorias prometedoras fue descubierto en la esponja Petrosia contignata en 1992 y fue denominado contignasterol (Burgoyne and Andersen, 1992) (figura 4). A diferencia de otros esteroles aislados hasta el momento, el contignasterol se caracterizó por estar fuertemente oxigenado y presentó características novedosas para aquel entonces, dado que fue el primer esteroide natural que presentó un H-14 en posición β. Este compuesto presentó actividad biológica significativa de diverso tipo (Bramley et al., 1995), y posteriormente fueron sintetizados varios análogos, de los cuales el IPL y el IPL han pasado a ser evaluados en ensayos clínicos como agentes antiinflamatorios y para el tratamiento del asma (Shen and Burgoyne, 2002). El discodermolido es una nueva lactona natural de la familia de los policétidos (figura 4), que fue aislado de la esponja Discodermia dissoluta (Gunasekera et al., 1990) y es un candidato prometedor para el desarrollo de un medicamento contra el cáncer de pulmón, de colon y de ovarios. En estos momentos, se produce por vía sintética para el suministro de los ensayos clínicos (Paterson and Lyothier, 2004; Smith et al., 2005). Aunque un gran grupo de moléculas de esponjas han mostrado diversos efectos biológicos significativos, las mismas no han podido rebasar las etapas necesarias para convertirse en medicamentos, a causa de sus toxicidades, de sus marcados efectos colaterales o por tener una ruta de síntesis muy compleja. Un ejemplo de lo anterior, lo constituyen, dos compuestos conocidos como manoalido (Soriente et al., 1999) y jasplakinolido (Bubb et al., 1994), los cuales son utilizados solamente en investigaciones biomédicas, debido a su toxicidad en contraposición a sus significativos efectos biológicos. El manoalido, aislado de una esponja del Pacífico, condujo a la síntesis de más de 300 análogos, de los cuales un número significativo son evaluados en ensayos clínicos como agentes antiinflamatorios (Soriente et al., 1999).

5 Fig. 4. Estructuras de diferentes compuestos bioactivos aislados de esponjas Fig. 4. Structures of several bioactive compounds isolated from sponges Otros de los compuestos estructuralmente novedosos y de potencialidades biomédicas son las manzaminas, las cuales se caracterizan por la presencia de un núcleo de β-carbolina unida a un sistema policíclico complejo. Desde el aislamiento de la manzamina A (figura 5) de una esponja del género Haliclona (Sakai et al., 1986), más de 40 alcaloides del mismo grupo se han aislado de nueve esponjas diferentes (El Sayed et al., 2001; Rao et al., 2006; 2004; 2003; Yousaf et al., 2004). Las manzaminas han mostrado propiedades citotóxicas, insecticidas y antibacterianas (El Sayed, et al., 2001; Yousaf et al., 2004). Desarrollan, asimismo, una importante actividad curativa contra la malaria en animales modelo (Rao et al., 2006; 2004; 2003). Existen evidencias recientes, de que varios de los metabolitos mencionados no hayan sido producidos por las esponjas sino por los microorganismos simbiontes que se encuentran hospedados en ellas. Tras la diversa y compleja naturaleza de los metabolitos aislados de esponjas, así como su amplia gama de potentes efectos farmacológicos (Mayer et al., 2009; 2007; Mayer and Hamann, 2002; Orhan et al., 2010; Simmons et al., 2005), prominentemente contra el cáncer, surge siempre la incógnita de quién los produce, el hospedero o los huéspedes? Un dato interesante, plantea que de aproximadamente unos 20 compuestos derivados de organismos marinos, que actualmente se encuentran en ensayos clínicos para el tratamiento del cáncer (Simmons and Gerwick, 2008), 15 fueron aislados de esponjas, tunicados y moluscos, y solamente cinco provenientes directamente de microorganismos. Sin embargo, existen fuertes evidencias de que 16 de estas moléculas antitumorales son derivadas de fuentes microbiológicas asociadas a los macroorganismos y sólo cuatro específicamente de los macroorganismos correspondientes (Simmons et al., 2008). Fig. 5. Structure of manzamine A

6 En Cuba, las investigaciones con compuestos obtenidos de esponjas marinas son muy escasas, los hallazgos han sido en el campo farmacológico y solamente en extractos o fracciones. Los resultados obtenidos muestran efectos sobre receptores colinérgicos e histaminérgicos por extractos de esponjas de los géneros Holopsama, Aiolochroia, Ircinia, Mycale y Aplysina entre otros (Aneiros et al., 2000, 2002). Extractos obtenidos de varias especies, principalmente de los géneros Ircinia, Mycale, Tedania y Dysidea, presentan actividad antiinflamatoria, analgésica y antioxidante (Aneiros et al., 2000, 2002). Es de destacar que, a diferencia de los antiinflamatorios existentes tanto de origen natural terrestre como sintético, los extractos estudiados de esponjas con esta propiedad, presentan mecanismos de acción que inhiben la fosfolipasa A 2, o sea el inicio del proceso inflamatorio. Fig. 6. Esponjas marinas y esqueletos de dos familias de saponinas esteroidales de P. acanthifolium Fig. 6. Marine sponges and skeletons of two steroidal saponin families from P. acanthifolium En un estudio muy reciente, se analizaron tres esponjas: Agelas cerebrum, Niphates digitalis y Pandaros acanthifolium (figura 6), a partir de las cuales se aislaron e identificaron 45 metabolitos (Regalado, 2010a), dos de ellos se aislaron como nuevos productos naturales (Regalado et al., 2010b; 2010c) y 30 resultaron de estructuras novedosas (Cachet et al., 2009; Regalado et al., 2010d; 2010e), pertenecientes a dos familias de saponinas esteroidales (pandarosidos y acanthifoliosidos, figura 6), que poseen características estructurales poco comunes en la naturaleza y altas potencialidades antiprotozoarias (Regalado, et al., 2010d), dos de estos últimos con actividad antitumoral significativa contra carcinomas humanos de mamas, colon y pulmón (Regalado, 2010a). La novedad tanto estructural como farmacológica de las nuevas sustancias obtenidas así como su interés perspectivo para la terapeútica médica, sustentan la importancia de dar continuidad a estas investigaciones.

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